未来气候下黄松水力胁迫预测：班德利尔国家纪念地野火行为将更加极端

《Fire Ecology》：Ponderosa pine hydraulic stress predicts more extreme wildfire behavior under future conditions in Bandelier National Monument, New Mexico

本研究针对未来气候变化对野火行为的预测挑战，通过构建黄松活体燃料含水量(LFMC)对水分胁迫的响应模型，揭示了在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，LFMC低于关键阈值(100%和79%)的天数将显著增加，火灾季节延长，极端野火风险加剧。研究人员结合植物生理学数据与FATES-HYDRO模型，发现夏季风降水减少是主要驱动因素，同时春季初级生产力增加可能改变燃料负荷。该研究为理解气候变化-植物生理-野火行为的复杂相互作用提供了机制性见解，对未来火灾风险管理具有重要意义。

　　

随着全球气候变化的加剧，野火预测面临着前所未有的挑战。燃料作为野火燃烧的物质基础，其特性如可燃性受到植物种群分布、生理特性和环境条件之间复杂相互作用的共同影响。活体燃料含水量(LFMC)作为影响野火蔓延的关键因子，不仅反映了植物的水分状况和生理特征，更是预测气候对火灾 regime 影响的重要指标。然而，未来条件下LFMC的变化可能呈现非线性特征，这与植物水分水力学的生理阈值密切相关。

在美国新墨西哥州的班德利尔国家纪念地，黄松林作为广泛分布于落基山脉的重要树种，对研究气候变化下的野火行为具有指示意义。传统的火灾风险指数仅基于天气和季节时序的经验关系，未能充分考虑植物可能跨越的关键生理阈值。因此，需要基于机制的植物生理学模型来捕捉LFMC的变化，并预测未来条件对火灾蔓延的影响。

为了解决这一问题，研究人员开展了一项综合性的研究，通过收集黄松的植物生理学和LFMC数据，构建了LFMC对水分胁迫响应的统计模型，并参数化了机制性植物水动力学模型FATES-HYDRO，以模拟未来气候异常下植物胁迫的变化及其对LFMC的影响。

研究方法上，研究人员在2023年生长季期间，每月收集黄松的LFMC样本以及植物生理参数(最小和黎明前叶水势(LWP)、气孔导度(G_s))。利用这些数据，他们构建了LFMC与生理参数关系的统计模型，并采用FATES-HYDRO模型模拟植物生理过程。该模型通过连续多孔介质方法模拟植物四种组织类型(吸收根、运输根、茎和枝条)间水含量与水势的关系，从而计算水势、水力导度和气孔导度之间的关系。

研究人员还利用CMIP6气候模型数据，模拟了SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下(2080-2100年)的未来气候异常，并将其应用于FATES-HYDRO模型，以评估未来植物胁迫和LFMC的变化。

LFMC模型拟合

研究发现，基于黎明前LWP、正午LWP和气孔导度的统计模型能够较好地预测黄松的LFMC(R²=0.31)。该模型的平均绝对误差为7.03%，均方根误差为9.13%，表明模型具有较好的预测能力。

未来气候预测

CMIP6气候预测表明，班德利尔国家纪念地的温度、蒸汽压亏缺(VPD)将上升，而降水量将减少。SSP2-4.5情景下平均温度上升约2.1°C，VPD增加15.3%，降水量减少42.6%；SSP5-8.5情景下温度上升约4.1°C，VPD增加33.4%，降水量减少47%。

活体燃料湿度的预期变化

模拟结果显示，未来两种气候情景下黄松的LFMC均低于当代水平。当代气候模拟中，LFMC低于79%阈值的天数仅占1.4%(年均5天)，而SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下分别增至10.2%(年均37天)和17.8%(年均65天)。同样，低于100%阈值的天数从当代的19.8%(年均72天)增至SSP2-4.5的42%(年均185天)和SSP5-8.5的58.6%(年均215天)。

未来植物胁迫预测

LFMC的变化主要源于植物水分胁迫的增加，表现为正午LWP的下降。当代气候下，黄松的最小LWP为-3.41 MPa，而SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下分别降至-3.51 MPa和更低的水平。同时，未来情景下气孔导度显著降低，表明气孔关闭时间延长，气体交换受到严重限制。

未来生产力变化

尽管CO₂浓度升高，但未来情景下的年总初级生产力(GPP)均低于当代水平。当代气候下年GPP为336.80 g C m^-2，而SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下分别降至202.77 g C m^-2和242.23 g C m^-2。值得注意的是，SSP5-8.5情景下春季生产力增加，可能影响燃料负荷。

未来水力衰竭风险变化

当代气候下水力传导率损失(PLC)较低，而未来情景下PLC显著升高。SSP2-4.5情景下11.5%的天数PLC超过60%，SSP5-8.5情景下20.5%的天数超过此阈值，表明水力衰竭和死亡风险增加。

研究结论表明，LFMC的季节性和绝对值可能因植物水分利用阈值在更温暖的夏季、更高的VPD和更低的降水量下被跨越而发生根本性变化。这种冠层湿度的变化将影响未来的树冠火行为，增加极端野火的可能性和延长火灾季节。植物水分胁迫的增加和LFMC的降低主要源于该地区典型的夏季风降水减少，这使得火灾季节向年后延伸。

该研究强调了在未来火灾风险预测中纳入植物生理学模型的重要性。随着生产力变化、死亡率上升以及活体燃料湿度的整体下降，黄松林野火 regime 的可变性预计将增加。北美夏季风的减弱或消失可能是驱动这些变化的关键因素，而CO₂浓度升高带来的水分利用效率增加可能不足以缓解夏季风缺失的影响。这些发现对于理解气候变化下森林生态系统的响应以及制定适应性火灾管理策略具有重要科学意义。